Projeto do circuito da fonte de alimentação 12V 1A SMPS: 4 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Ei pessoal!

Cada dispositivo ou produto eletrônico requer uma unidade de fonte de alimentação (PSU) confiável para operá-lo. Quase todos os dispositivos em nossa casa, como TV, impressora, reprodutor de música, etc., consistem em uma fonte de alimentação embutida que converte a tensão CA da rede elétrica em um nível adequado de tensão CC para que funcionem. O tipo de circuito de fonte de alimentação mais comumente usado é o SMPS (fonte de alimentação comutada), você pode encontrar facilmente este tipo de circuito em seu adaptador de 12V ou carregador de celular / laptop. Neste tutorial, aprenderemos como construir um circuito SMPS de 12v que converteria a alimentação CA em 12V DC com uma corrente nominal máxima de 1,25A. Este circuito pode ser usado para alimentar pequenas cargas ou mesmo ser adaptado a um carregador para carregar baterias de chumbo-ácido e lítio. Se este circuito de fonte de alimentação 12v 15watt não corresponder aos seus requisitos, você pode verificar vários circuitos de fonte de alimentação com classificações diferentes.

Etapa 1: Circuito SMPS 12v - Considerações sobre o projeto

Antes de prosseguir com qualquer tipo de projeto de fonte de alimentação, a análise de requisitos deve ser feita com base no ambiente em que nossa fonte de alimentação será usada. Diferentes tipos de fonte de alimentação funcionam em diferentes ambientes e com limites específicos de entrada e saída.

Especificação de entrada:

Vamos começar com a entrada. Uma tensão de alimentação de entrada é a primeira coisa que será usada pelo SMPS e será transformada em um valor útil para alimentar a carga. Como este projeto é especificado para conversão AC-DC, a entrada será corrente alternada (AC). Para a Índia, a entrada AC está disponível em 220-230 volts, para os EUA é classificada para 110 volts. Existem também outras nações que usam diferentes níveis de tensão. Geralmente, o SMPS funciona com uma faixa de tensão de entrada universal. Isso significa que a tensão de entrada pode ser diferente de 85 Vca a 265 Vca. O SMPS pode ser usado em qualquer país e pode fornecer uma saída estável de carga total se a tensão estiver entre 85-265 V CA. O SMPS também deve funcionar normalmente nas frequências de 50 Hz e 60 Hz. Esta é a razão pela qual podemos usar nossos carregadores de telefone e laptop em qualquer país.

Especificação de saída:

Do lado da saída, poucas cargas são resistivas, poucas são indutivas. Dependendo da carga, a construção de um SMPS pode ser diferente. Para este SMPS, a carga é considerada uma carga resistiva. No entanto, não há nada como uma carga resistiva, cada carga consiste em pelo menos alguma quantidade de indutância e capacitância; aqui, assume-se que a indutância e a capacitância da carga são desprezíveis.

A especificação de saída de um SMPS é altamente confiável na carga, como quanta tensão e corrente serão exigidas pela carga em todas as condições operacionais. Para este projeto, o SMPS poderia fornecer 15W de saída. É 12V e 1,25A. A ondulação de saída desejada é selecionada como menos 30mV pk-pk na largura de banda de 20.000 Hz.

Etapa 2: Seleção do CI de gerenciamento de energia

Cada circuito SMPS requer um IC de gerenciamento de energia, também conhecido como switching IC ou SMPS IC ou Drier IC. Vamos resumir as considerações de design para selecionar o CI de gerenciamento de energia ideal que será adequado para o nosso design. Nossos requisitos de design são:

1. Saída de 15W. 12 V 1,25 A com menos de 30 mV de ondulação pk-pk em carga total.
2. Classificação de entrada universal.
3. Proteção contra surtos de entrada.
4. Proteção contra curto-circuito, sobretensão e sobrecorrente de saída.
5. Operações de tensão constante.

Dos requisitos acima, há uma grande variedade de ICs para escolher, mas para este projeto, selecionamos a integração de energia. A Power Integration é uma empresa de semicondutores que possui uma ampla variedade de CIs de driver de potência em várias faixas de potência de saída. Com base nos requisitos e disponibilidade, decidimos usar o TNY268PN de famílias de pequenos switches II.

Na imagem acima, a potência máxima de 15W é mostrada. No entanto, faremos o SMPS no quadro aberto e para a classificação de entrada universal. Em tal segmento, TNY268PN poderia fornecer 15W de saída. Vamos ver o diagrama de pinos.

Etapa 3: Diagrama de circuito SMPS de 12 V e explicação

Antes de ir direto para a construção do protótipo, vamos explorar o diagrama de circuito SMPS 12v e sua operação. O circuito tem as seguintes seções:

1. Proteção contra surto de entrada e falha SMPS
2. Conversão AC-DC
3. Filtro PI
4. Circuito do driver ou circuito de comutação
5. Proteção de bloqueio de subtensão.
6. Circuito de grampo
7. Isolamento magnético e galvânico
8. Filtro EMI
9. Retificador secundário e circuito de amortecimento
10. Seção de Filtro

Proteção contra surto de entrada e falha de SMPS

Esta seção consiste em dois componentes, F1 e RV1. F1 é um fusível de queima lenta 1A 250VAC e RV1 é um MOV (Varistor de óxido metálico) de 7 mm 275V. Durante um surto de alta tensão (mais de 275 VCA), o MOV ficou em curto e queima o fusível de entrada. No entanto, devido ao recurso de queima lenta, o fusível resiste à corrente de inrush através do SMPS.

Conversão AC-DC

Esta seção é governada pela ponte de diodo. Esses quatro diodos (dentro do DB107) fazem um retificador de ponte completa. Os diodos são 1N4006, mas o padrão 1N4007 pode fazer o trabalho perfeitamente. Neste projeto, esses quatro diodos são substituídos por um retificador de ponte completa DB107.

Filtro PI

Diferentes estados têm diferentes padrões de rejeição de EMI. Este projeto confirma o padrão EN61000-Classe 3 e o filtro PI é projetado de forma a reduzir a rejeição de EMI de modo comum. Esta seção é criada usando C1, C2 e L1. C1 e C2 são capacitores de 400 V 18uF. É um valor ímpar, portanto 22uF 400 V foi selecionado para esta aplicação. O L1 é um choke de modo comum que recebe o sinal EMI diferencial para cancelar ambos.

Circuito do driver ou circuito de comutação

É o coração de um SMPS. O lado primário do transformador é controlado pelo circuito de chaveamento TNY268PN. A frequência de comutação é 120-132 khz. Devido a esta alta frequência de chaveamento, transformadores menores podem ser usados. O circuito de comutação tem dois componentes, U1 e C3. U1 é o principal driver do IC TNY268PN. O C3 é o capacitor de bypass necessário para o funcionamento do nosso driver IC.

Proteção de bloqueio de subtensão

A proteção de bloqueio de subtensão é feita pelo resistor de detecção R1 e R2. É usado quando o SMPS entra no modo de reinicialização automática e detecta a tensão da linha.

Circuito de grampo

D1 e D2 são o circuito do grampo. D1 é o diodo TVS e D2 é um diodo de recuperação ultrarrápido. O transformador atua como um grande indutor em todo o driver de potência IC TNY268PN. Portanto, durante o ciclo de desligamento, o transformador cria picos de alta tensão devido à indutância de fuga do transformador. Esses picos de tensão de alta frequência são suprimidos pelo grampo de diodo no transformador. UF4007 é selecionado devido à recuperação ultrarrápida e P6KE200A é selecionado para a operação TVS.

Isolamento magnético e galvânico

O transformador é um transformador ferromagnético e não apenas converte CA de alta tensão em CA de baixa tensão, mas também fornece isolamento galvânico.

Filtro EMI

A filtragem EMI é feita pelo capacitor C4. Aumenta a imunidade do circuito para reduzir a alta interferência EMI.

Circuito retificador secundário e amortecedor

A saída do transformador é retificada e convertida em CC usando D6, um diodo retificador Schottky. O circuito de amortecimento através do D6 fornece supressão do transiente de tensão durante as operações de comutação. O circuito de amortecimento consiste em um resistor e um capacitor, R3 e C5.

Seção de Filtro

A seção do filtro consiste em um capacitor de filtro C6. É um capacitor de baixo ESR para melhor rejeição de ondulação. Além disso, um filtro LC usando L2 e C7 fornece melhor rejeição de ondulação na saída.

Etapa 4: Fabricação de PCB

Você pode desenhar o esquema de PCB com qualquer software de acordo com sua conveniência e enviá-lo para um fabricante de PCB de sua escolha. Eu tenho um Gerber pronto, posso compartilhá-lo.

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